理解开源硬件思想，驱动实际问题解决——“开源硬件及其特征”教学建议

董玥 郭培培 韩冬兵 马静 北京师范大学附属实验中学

普通高中信息技术课程之选择性必修模块6“开源硬件项目设计”的培养目标是培养学生数字化学习和动手实践能力，激发学生创新力，它是实现STEAM教育理念的重要载体。

● 课程标准要求分析

“开源硬件及其特征”是该模块的入门单元，《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课程标准）要求从实例出发进行分析，让学生认识和了解开源硬件的基本概念和特征，知道开源硬件的发展历史、用户群体和影响力，了解常见的开源硬件平台，体验简单的开源硬件项目，体会利用开源硬件进行信息技术创新的价值和意义。

1.内容要求

课程标准中对“开源硬件项目设计”模块提出了8项内容要求，其中与本单元教学内容紧密相关的是：“6.1 基于实例分析，认识开源硬件的特征与发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义。”“6.2 通过剖析使用开源硬件完成作品的实例，体验基于开源硬件完成项目的基本流程，知道常用开源硬件的功能与特征。”[1]其具体教学内容及要求如下表所示。

2.学业要求

课程标准中提出：“学生能在信息技术环境下综合利用科学、技术、工程、人文艺术与数学学科的相关知识，理解利用信息技术解决问题的基本思路与方法，认识数字化工具在问题解决方案中的价值与作用（信息意识、数字化学习与创新）。”在本单元中，学生可以通过实例体验的方式，了解开源硬件是实现STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）的理想方法，理解利用信息技术解决问题的基本思路和方法，还可以结合生活情境，利用快速原型的方法解决生活中的实际问题，同时认识数字化工具在问题解决方案中的价值与作用。

教学内容 要求开源硬件的特征 认识开源硬件的发展 认识利用开源硬件进行信息技术创新的意义 理解基于开源硬件完成项目的基本流程 体验常用开源硬件的功能与特征 知道

“理解并自觉践行开源的理念与知识分享的精神，理解保护知识产权的意义（信息社会责任）”也是“开源硬件及其特征”这一单元的重要内容。在课堂教学中，学生可以通过小组之间的开源与共享、模块与复用，对项目进行迭代完善，践行开源的理念与合作分享精神。

● 教学内容分析

1.各版本教材分析

现行各版本教材均围绕信息技术课程标准展开，虽各有特色，但整体内容相对统一。人教－中图版教材第一单元“开源硬件及其特征”以“开源硬件推介会”为主题学习项目，主要教学内容包括“认识开源硬件”“开源硬件的发展”“开源硬件的特征”和“开源硬件与创新”四部分。浙教版教材第一单元“开源思想与开源硬件”以“近三年最具影响力的中国开源硬件事件的评述”为主题学习项目，主要内容包括“开源思想与开源运动”“开源硬件的发展特征”“开源硬件的经典案例”三部分。粤教版教材第一单元“认识开源硬件项目”以“体验开源硬件开发平台”为主题学习项目，主要内容包括“开源硬件的特征和发展历程”“利用开源硬件进行创新”“开源硬件系统的组成及开发环境”三部分。

通过对比以上各版本的教材内容，发现各教材均以主题项目学习的方式设计，从学生熟悉的生活场景出发，引导学生进行开源硬件实践体验，认识和了解开源硬件的特征、发展历史、创新性以及常用的开源硬件平台。

2.教学目标设定

依据课程标准的要求，并结合各版本教材的对比分析，笔者设定单元1“开源硬件及其特征”的教学目标为：①通过实例体验，认识开源硬件，了解其相关概念，了解常见开源硬件平台及其相关功能模块；②通过阅读、搜集资料，了解开源硬件的发展历史；③通过实践活动，认识到开源硬件的用户群体和影响力；④通过对项目的分享整合，掌握开源硬件的特征，并能简单使用开源硬件的功能模块；⑤通过完成项目任务，体会学习开源硬件对个人和社会创新的意义和价值。

本单元的重点是开源硬件的特征，难点是常见开源硬件平台及其功能模块的使用。在教学过程中，教师需要选择恰当的开源硬件实例，提供相关的阅读素材和体验平台，设计适合学生的开源硬件项目实践活动，才能有效地达成教学目标。

3.核心概念分析

本单元涉及的核心概念包括“开源”和“开源硬件”。对于“开源”这一核心概念，各版本教材都从开源软件讲起，然后上升到开源思想这一概念，这其实也是开源硬件的本质，即分享知识，协作创新。对于“开源硬件”这一核心概念，各版教材虽然定义各不相同，但基本相近。例如，人教－中图版对开源硬件的定义是“开源硬件指可以通过公开渠道（如开源社区）获得其硬件设计，并允许任何人进行学习、修改、发布、制作和销售的硬件。”[2]浙教版对开源硬件的定义则是“开源硬件（Open Source Hardware）是指在遵循开源许可协议的前提下，将计算机和电子硬件，包括电路原理图、材料清单、设计图等，完全以开源的方式授权用户自由地使用、分享和再创作。”[3]通过对比可以发现，两者对开源硬件定义的本质其实是相同的。在教学过程中，教师要带领学生通过各学习小组之间项目的分享与协作、模块与复用，同时在不断更新完善项目的过程中，理解和体会开源硬件的定义及其内涵。

● 教学实施建议

在设计思维导向的开源硬件项目教学活动中，建议将教学实施分为真实互动—快速原型—分享整合—迁移创新四个核心步骤展开，分别对应学生的好奇—理解—应用—创新四个思维阶段，以此帮助学生理解开源硬件思想，学会利用开源硬件等数字化工具，综合应用习得的知识和技能解决实际问题，从而促进学生设计思维和计算思维能力的发展。[4]

1.通过真实互动，让学生快速直观地了解开源硬件的相关概念

本单元教学涉及开源、开源软件、开源硬件和开源协议等概念，这些概念对学生而言，多属于初次接触，因此可以通过实例体验的方式，让学生直观地接触到真实的开源硬件设备，在操作和体验的过程中，对本单元涉及的概念有具象的认识和了解，同时理解概念之间的内涵与关系。这比教师单一讲授更便于学生接受和理解。

2.以快速原型的方法，构建生活中的场景案例，让学生体会到开源硬件发展的内在动因

开源硬件的迅速发展，有其必然性和内在动因，这种发展源于信息技术自身的发展，也和开源硬件自身的特点有关。开源硬件原创性强、设计上手快、简单易操作，这些特点让媒体艺术爱好者和教育领域的师生可以设计并实现自己的创意，或者利用开源硬件验证一些构想。大众对开源硬件的需求使得它有了更多的应用场景，这些应用又促进了开源硬件的研究和开发。

在教学过程中，教师可以引导学生联系生活中的某些场景，通过快速原型法构建该场景，并对场景进行有益的改进。此外，也可以让学生提出某一构想，通过快速原型法构建该构想的雏形，分析其应用价值和市场可行性。通过实践探究，学生感受到开源硬件的价值和意义，自然也就理解了它蓬勃发展的必然性和内在动因。

3.通过项目的分享整合，让学生体会和理解开源硬件的特征

开源硬件具有开源与开放、分享与协作、模块与复用三个典型特征。这些特征有利于大众通过开源硬件进行设计创造，这也是促进开源硬件发展的重要内因。在教学过程中，教师可以通过分组设计项目、组间项目分享、班级项目整合的方式让学生切实体会到开源硬件的典型特征。

例如，可以设计“多档亮度调节灯”项目，将全班分A、B两大组，A组学生完成串口传输并显示的任务，B组学生完成模拟输出端口控制灯亮度的任务。待任务完成后，分别请两组的学生代表汇报本组的任务成果，并讲解实现的过程，同时将小组电路图和程序共享。接下来再请全班学生共同完成通过串口控制，让灯可以有四档亮度变化的进阶项目。通过这样的过程，学生对开源硬件项目的特征就有了切实的体验。

4.通过实践活动，激发学生学习兴趣，在创作过程中培养学生创新力

学习开源硬件，必须以实践为根本，只有在不断实践探索的过程中，学生才能真正体会到学习开源硬件的乐趣。开源硬件传感器及外部设备的使用方法都有其规范和程序，这都属于开源硬件的基础，当学生掌握了硬件设备的控制方法后，怎样通过各种组合更好地应用，更好地实现其功能，更好地呈现效果，都需要学生进行设计和创新。学会使用开源硬件不难，但如何用好开源硬件，如何实现设备间的相互配合，还需要学生在实践过程中不断体会和学习。

通过本章的学习，学生对开源硬件的核心概念、基本特征、发展历程，开源硬件项目开发流程，以及通过开源硬件项目进行实践创新都有了基本的了解，同时，本章的学习也激发了学生的学习兴趣，指引了学生的探索方向，为后续章节的有序推进打下了基础。